Plan de Clase | Metodología Activa | Termodinámica: Energía Interna de un Gas

Supuestos: Este Plan de Clase Activo supone: una clase de 100 minutos de duración, estudio previo de los alumnos tanto con el Libro, como con el inicio del desarrollo del Proyecto, y que se elegirá una sola actividad (de las tres sugeridas) para ser realizada durante la clase, ya que cada actividad está diseñada para ocupar gran parte del tiempo disponible.

Objetivos

Duración: (5 - 10 minutos)

La etapa de definición de objetivos es crucial para establecer el foco de la clase y garantizar que tanto el profesor como los alumnos estén alineados sobre lo que se espera alcanzar. En este plan, los objetivos están formulados para asegurar que los alumnos puedan no solo entender teóricamente el concepto de energía interna de un gas, sino también aplicar este conocimiento en situaciones prácticas a través de cálculos. Este enfoque práctico busca fortalecer la comprensión y la retención del contenido, preparando a los estudiantes para desafíos más complejos y aplicaciones reales de la termodinámica.

Objetivos Principales:

1. Capacitar a los alumnos a comprender el concepto de energía interna de un gas, incluyendo sus formas de transferencia y los factores que la influyen.

2. Desarrollar habilidades de cálculo de la energía interna de un gas en diferentes escenarios, utilizando las fórmulas adecuadas y comprendiendo los resultados obtenidos.

Objetivos Secundarios:

1. Fomentar el pensamiento crítico y la capacidad de análisis al resolver problemas relacionados con la termodinámica.
2. Incentivar la colaboración y la discusión en grupo para explorar diferentes perspectivas y enfoques en la resolución de problemas.

Introducción

Duración: (15 - 20 minutos)

La introducción sirve para activar el conocimiento previo de los alumnos a través de situaciones problemáticas, facilitando la conexión del contenido teórico con aplicaciones prácticas. Además, la contextualización busca mostrar la relevancia del estudio de la energía interna de un gas en la vida cotidiana y en aplicaciones industriales, aumentando el interés de los alumnos y demostrando la importancia del tema en diversas áreas.

Situaciones Basadas en Problemas

1. Imagina que estás en un viaje en coche y el aire acondicionado falla. Dentro del coche, la temperatura comienza a subir. ¿Cómo se está alterando la energía interna del aire en el interior del vehículo y qué se puede hacer para compensar este aumento?

2. Considera un recipiente cerrado con un gas ideal. Si comprimimos el gas lentamente, manteniendo la temperatura constante, ¿cómo afecta esto la energía interna del gas? ¿Y si el gas se comprime rápidamente?

Contextualización

La comprensión de la energía interna de un gas no solo es crucial para la física teórica, sino que tiene aplicaciones prácticas en muchos aspectos de la vida diaria, desde el funcionamiento de sistemas de refrigeración hasta la propulsión de vehículos a chorro. Además, el estudio de la termodinámica permite entender fenómenos naturales como la expansión y contracción de materiales a diferentes temperaturas, fundamentales en campos como la ingeniería y la meteorología.

Desarrollo

Duración: (70 - 75 minutos)

La fase de desarrollo está diseñada para permitir que los alumnos apliquen de manera práctica e interactiva los conceptos teóricos de energía interna de un gas aprendidos anteriormente. A través de las actividades propuestas, los alumnos tendrán la oportunidad de explorar, experimentar y visualizar los principios de la termodinámica en acción, reforzando su entendimiento a través de la práctica. Cada actividad está estructurada para ser un desafío envolvente, incentivando la colaboración, la creatividad y el pensamiento crítico, habilidades esenciales para el estudio de la física.

Sugerencias de Actividades

Se recomienda realizar solo una de las actividades sugeridas

Actividad 1 - El Desafío del Globo Solar

> Duración: (60 - 70 minutos)

- Objetivo: Aplicar el concepto de energía interna de un gas y entender cómo puede ser convertida en trabajo mecánico.

- Descripción: En esta actividad, los alumnos explorarán cómo la energía interna de un gas puede ser utilizada de forma práctica para crear movimiento. Se propondrá que cada grupo construya un 'motor' simple utilizando un globo, que, cuando se infla, empuja un pequeño vehículo. El objetivo es que los alumnos apliquen sus conocimientos sobre presión, volumen y temperatura para maximizar la fuerza de empuje generada por el globo.

- Instrucciones:

• Dividir la clase en grupos de hasta 5 alumnos.

• Proveer a cada grupo un kit con un globo, un popote, cinta adhesiva y un pequeño auto de juguete.

• Pedir a los alumnos que inflen el globo con aire y lo fijen al popote, que debe estar sujeto al auto de juguete.

• Los alumnos deben observar cómo la liberación del aire del globo empuja el auto y tratar de ajustar el sistema para maximizar la distancia recorrida por el vehículo.

• Utilizar tiza o cinta adhesiva en el suelo para marcar la distancia recorrida en cada intento y promover una competencia saludable entre los grupos.

Actividad 2 - Cocinando con Ciencia: El Horno Solar

> Duración: (60 - 70 minutos)

- Objetivo: Entender y aplicar los principios de transferencia de energía térmica y energía interna en la práctica.

- Descripción: Los alumnos serán desafiados a construir un 'horno solar' simple utilizando una caja de cartón, papel aluminio y plástico transparente. El horno debe ser capaz de concentrar la luz solar reflejada en el papel aluminio para calentar un recipiente con agua, demostrando en la práctica la transferencia de energía térmica y los principios de la energía interna de un gas.

- Instrucciones:

• Organizar a los alumnos en grupos de hasta 5 personas.

• Distribuir los materiales necesarios: cajas de cartón, papel aluminio, plástico transparente, un termómetro y recipientes que puedan ser calentados.

• Instruir a los alumnos a forrar el interior de la caja con papel aluminio, dejando la superficie brillante hacia adentro.

• Pedir que cubran la caja con el plástico transparente, formando una especie de tapa que capture la luz solar.

• Los alumnos deben entonces colocar el recipiente con agua dentro del horno solar y monitorear la temperatura del agua a lo largo del tiempo, registrando los cambios observados.

Actividad 3 - El Experimento del Pistón de Aire

> Duración: (60 - 70 minutos)

- Objetivo: Visualizar y cuantificar el trabajo mecánico generado por la expansión de un gas.

- Descripción: Esta actividad propone la construcción de un pequeño dispositivo que utiliza la expansión de un gas para mover un pistón. Los alumnos montarán un recipiente con un émbolo (pistón) y observarán cómo la energía interna del gas se transforma en trabajo mecánico. Este experimento permitirá la exploración de conceptos como presión, volumen y temperatura.

- Instrucciones:

• Dividir la clase en grupos de hasta 5 alumnos.

• Entregar a cada grupo un kit que contenga un tubo transparente y cerrado por un lado, un émbolo (pistón) que se ajusta al interior del tubo y una jeringa.

• Orientar a los alumnos a insertar la jeringa en el tubo y sellar la conexión con cinta adhesiva para evitar fugas.

• Pedir que llenen la jeringa con aire y, de forma controlada, empujen el émbolo hacia adentro del tubo, observando el movimiento resultante.

• Los alumnos deben medir la fuerza necesaria para mover el pistón en diferentes posiciones y tratar de explicar las variaciones observadas basándose en los conceptos de termodinámica.

Retroalimentación

Duración: (15 - 20 minutos)

El propósito de esta etapa de retroalimentación es permitir que los alumnos articulen lo que aprendieron y reflexionen sobre las aplicaciones prácticas de los conceptos de energía interna de un gas. La discusión en grupo facilita el intercambio de ideas y perspectivas, promoviendo una comprensión más profunda del contenido. Además, esta etapa ayuda a identificar cualquier área de confusión o malentendidos que puedan persistir, permitiendo al profesor aclarar y reforzar el aprendizaje.

Discusión en Grupo

Tras la finalización de las actividades, reúne a todos los alumnos para una discusión en grupo. Inicia la discusión con una breve introducción, destacando la importancia de reflexionar sobre lo que se ha aprendido y cómo se aplica a situaciones reales. Anima a los alumnos a compartir sus descubrimientos y desafíos encontrados durante las actividades. Utiliza preguntas orientadas para iniciar el diálogo, y asegúrate de que todos los grupos tengan la oportunidad de contribuir con sus experiencias y conclusiones.

Preguntas Clave

1. ¿Cuáles fueron los principales desafíos que enfrentaron al intentar maximizar la eficiencia del globo en 'El Desafío del Globo Solar'?

2. ¿Cómo afectó la alteración en la temperatura la eficacia del 'Horno Solar' en la transferencia de energía?

3. ¿Cuál es la relación entre la presión, el volumen y la energía interna observada en 'El Experimento del Pistón de Aire'?

4. ¿Cómo pueden los conceptos de termodinámica aplicados en las actividades ser utilizados para resolver problemas del día a día?

Conclusión

Duración: (5 - 10 minutos)

El propósito de la conclusión es garantizar que los alumnos hayan consolidado el conocimiento adquirido durante la clase, relacionando la teoría con la práctica y comprendiendo la importancia de los conceptos estudiados. Este momento es crucial para reforzar el aprendizaje, resumir los puntos clave y destacar la aplicabilidad del contenido en el mundo real, preparando a los estudiantes para futuras aplicaciones y estudios más avanzados en Física.

Resumen

Para concluir, vamos a recapitular los conceptos principales abordados hoy: la energía interna de un gas, sus formas de transferencia y cómo calcular esta energía. Revisamos cómo la presión, el volumen y la temperatura influyen en la energía interna y cómo estos conceptos se aplican en situaciones prácticas, como en los experimentos realizados.

Conexión con la Teoría

La clase de hoy se estructuró para conectar la teoría y la práctica de manera integrada. Comenzamos con una revisión de los conceptos teóricos y luego, a través de las actividades prácticas, los alumnos pudieron aplicar estos conceptos en escenarios reales y experimentales, solidificando el entendimiento y percibiendo la física en acción.

Cierre

Es esencial entender la energía interna de un gas no solo por su relevancia teórica, sino también por sus aplicaciones prácticas en la vida cotidiana y en diversas industrias. Comprender este concepto permite no solo explicar fenómenos naturales, sino también desarrollar tecnologías más eficientes y sostenibles.